基于ZigBee的瓦斯无线监测系统硬件设计

引言 

随着计算机和无线通信技术的发展，计算机、无线通信技术已经开始应用于矿井安全和生产监测，广泛涉及到计算机应用技术、无线通信技术、传感器技术、信息传输技术、电气防爆技术、应用化学技术、控制技术、光纤技术和嵌入式技术等多种技术。ZigBee是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，完整的协议栈只有32KB，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。这些特点决定ZigBee技术非常适合应用在无线传感器网络中。与现有的各种无线通信技术相比，ZigBee技术在功耗和成本上相对较低，有很大的优势。本文研究设计的煤矿瓦斯无线监测系统就是基于ZigBee技术的无线传感器网络，用于实时监测矿井空气中的瓦斯浓度，实现系统的可靠性、便于安装性、低成本、节能和实际可行性，从而给煤矿生产工作的顺利进行提供一定的保障，为矿井的防灾、减灾以及提高生产效率方面发挥一定的作用。 

煤矿瓦斯无线监测系统整体设计 

本系统是由多个自给供电的ZigBee节点组成的，每个ZigBee节点都可以进行周围环境数据的采集、简单计算以及与其他节点及外界进行通信，从而使得众多的传感器可以通过协同工作进行高质量的传感，组成一个容错性较好的采集系统。本系统主要包括ZigBee节点和ZigBee基站节点，整体系统结构见图1，其中ZigBee基站节点主要用于组合从各个传感器节点得到的数据以及负责与外界的通信，该节点基于嵌入式系统。本系统采用部分网状(Partial Mesh)拓扑结构，其主要好处是每个节点的范围都成倍地扩大了，没有最大通信距离的限制，因为它所有的节点都被用作中继器或路由器。在图1中，节点A通过以下路径传送信号到ZigBee基站节点：A－B－ZigBee基站节点，另一替代路径为：A－E－F－ZigBee基站节点，也还有其他几种冗余的路径。 

图1 系统结构图 

1 ZigBee节点设计 

ZigBee节点的主要功能是采集瓦斯浓度数据，并将数据发送给各个ZigBee节点组的基站。ZigBee节点主要由传感器模块、MSP430F149模块、CC2420收发模块、存储模块和电源管理模块五部分组成，包括电源模块指示灯/开关、传感器模块接口、USB接口、天线接口等。 

图2 MSP430F149模块 

ZigBee节点的传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换，本设计中传感器模块采用瓦斯传感器和温湿度传感器；MSP430F149模块负责控制整个节点的处理操作、路由协议、同步定位、功耗管理、任务管理等，MSP430F149处理器自身具有A/D功能，从传感器得到的模拟信号可以直接送到MSP430F149进行模数转换，且功耗低；CC2420收发模块负责与其他节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据，提供SPI接口与MSP430F149通信，而MSP430F149则连接键盘、显示等人机交互界面、传感器、控制器等；存储模块负责存储采集到的数据；电源管理模块提供能量，选通所用到的传感器，由两节1.5V碱性电池组成。 

图3 CC2420收发模块 

①MSP430F149模块 
MSP430F149模块，即MCU模块，采用TI公司的MSP430F149，如图2所示。TI公司的MSP430系列单片机是一种超低功耗的混合信号控制器，能够在低电压下以超低功耗状态工作；其控制器具有强大的处理能力和丰富的片内外设；带FLASH存储器的单片机还可以方便高效地进行在线仿真和编程。MSP430F149是MSP430X1XX系列中功能最强的单片机，而且MSP430F149的运行环境温度范围为-40℃～+85℃，可以适应各种恶劣的环境。 

②CC2420收发模块 
CC2420是Chipcon公司推出的首款符合2.4GHz IEEE 802.15.4标准的射频收发器。该器件是第一款适用于Zigbee产品的RF器件。它基于Chipcon公司的SmartRF03技术，以0.18μm CMOS工艺制成，只需极少外部元器件，性能稳定且功耗极低。CC2420的选择性和敏感性指数超过了IEEE 802.15.4标准的要求，可确保短距离通信的有效性和可靠性。利用此芯片开发的无线通信设备支持数据传输率高达250Kb/s，可以实现多点对多点的快速组网。它的外围电路包括晶振时钟电路、射频输入／输出匹配电路和微控制器接口电路三个部分。芯片本振信号既可由外部有源晶体提供，也可由内部电路提供。由内部电路提供时需外加晶体振荡器和两个负载电容，电容的大小取决于晶体的频率及输入容抗等参数。CC2420收发模块的外围电路如图3所示。 

③存储模块 

图4 存储模块 

存储模块采用意法半导体公司的1Mb串行EEPROM芯片M24M01，M24M01采用微型SO8N封装，封装外壳宽度仅为150mil(3.8mm)，内置I2C双线串口，是保存参数经常被修改的海量数据的理想选择，存储密度从1Kb～1Mb。M24M01支持100kHz和400kHz时钟频率，全面兼容I2C规范，1.8～5.5V的宽工作电源电压。128Kb×8存储结构，支持字节和页式写模式，写操作极快，256B写操作低于5ms。数据保存能力超过40年，耐擦写能力不低于100万次擦写循环，工作温度范围-40℃～+85℃。存储模块如图4所示。 

④传感器模块 

图5 温湿度传感器模块 

传感器有很多种类，可以检测温湿度、光照、噪声、振动、磁场、加速度、气体浓度等物理量。本系统采用的传感器模块采用瓦斯传感器和温湿度传感器。 

温湿度传感器采用SHTxx系列，该系列支持低功耗模式，采集完数据后自动转入休眠模式，电流小于1μA。本设计采用SHT11温湿度传感器，SHT11是瑞士Scnsirion公司推出的一款数字温湿度传感器芯片。该芯片广泛应用于暖通空调、汽车、消费电子、自动控制等领域。SHT11温湿度传感器采用SMD(LCC)表面贴片封装形式，接口非常简单，如图5所示。 

瓦斯传感器采用北京东方吉华科技有限公司生产的KGS-20低功耗瓦斯传感器，如图6所示。KGS-20以二氧化锡为基本敏感材料，专门用于可燃气浓度检测的一种半导体型气体传感器。它的基本特征是：极高灵敏度和极快的响应速度且低功耗。KGS-20型可燃气传感器适用于对瓦斯等可燃气浓度的检测，用于瓦斯报警器，可燃气报警器，瓦斯检测仪等。该传感器体积小，耗电低，应用电路简单，报警浓度为甲烷≥1％，响应时间≤20s，恢复时间≤30s，工作温度范围-15℃～+50℃，湿度≤97％RH，静态功耗为150mW，报警状态功耗为300mW，供电电压为3～5VDC。传感器敏感组件的电阻RS的变化表现为负载电阻RL上的电压变化。驱动电压VH、负载电阻RL以及检测电压VD的取值参照公司提供的典型资料，以使传感器处于最佳工作状态。 

图6 KGS-20低功耗瓦斯传感器 

传感器电源的供电电路设计对传感器模块的能量消耗来说非常重要。对于小电流工作的传感器（几百μA），可由处理器I/O口直接驱动；当不用该传感器时，将I/O口设置为输入方式。这样外部传感器没有能量输入，也就没有能量消耗。 

⑤电源管理模块 
电池种类很多，电池储能大小与形状、活动离子的扩散速度、电极材料的选择等因素有关。无线传感器网络节点的电池一般不易更换，所以选择电池非常重要，DCDC模块的效率也至关重要。本设计采用2节5号AA电池供电。 

2 ZigBee基站节点设计 
ZigBee基站节点主要由ARM模块、存储模块（NAND Flash，64MB-1GB可选）、CC2420收发模块、传感器模块和电源管理模块组成。ARM模块采用ST公司生产的STR710FZ2T6微处理器，STR710FZ2T6是基于ARM7指令集的ARM处理器，片内有256KB的Flash和64KB的SRAM，而且该处理器集成了许多外设接口，包括USB2.0接口和以太网接口。ZigBee基站节点的设计框图如图7所示。 

图7 ZigBee基站原理图框图 

煤矿瓦斯无线监测系统架构 

一般煤矿矿井的长度在10km以上，需布设100个以上ZigBee节点，这些节点是由电池供电的，执行组网、感知、采样和初步的数据处理任务，要求各节点可以相互通信并具有很强的协同能力，通过转发节点间的信息，节点间构成多跳的通信网络。本项目设计的网络采用MESH网状网络结构，保证数据传输的可靠性，并在一个区域设置一个ZigBee基站节点（网络终端），通过ZigBee基站节点将数据通过网络上传到控制中心。 

结论 
本系统的设计结合现阶段煤矿安全生产现状及ZigBee技术的发展现状，应用低功耗微处理器MSP430F149，结合相应外围电路设计ZigBee节点，能够采集温度、湿度和瓦斯试验数据，并能通过ZigBee基站节点传到上位机。ZigBee技术作为一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，将随着技术的进一步发展，成为实现无线监测系统最理想的应用方案和发展趋势。